DE102017004105B4 - Magnetically bistable axially symmetric linear actuator with pole contour, device with this and switching matrix for tactile applications - Google Patents
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Abstract
Magnetisch bistabiler axialsymmetrischer Linear-Aktuator (A) für taktile Anwendungen mit einem hartmagnetischen Stab (1), welcher an einem Ende tellerartig (1b) erweitert ist und mit einer auf einer Leiterplatte angeordneten Spule (3), in welcher der Stab (1) frei in axialer Richtung beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (1) aus einem Material mit sehr hoher Koerzitivfeldstärke besteht, dass dieser axial von einer höchstens gleich langen, hartmagnetischen Hülse (2) mit deutlich geringerer Koerzitivfeldstärke umschlossen und in axialer Richtung frei beweglich ist und dass der Stellweg des Stabs (1) durch dessen Überlänge (h) im Vergleich zur Länge der hartmagnetischen Hülse (2) festgelegt ist, derart, dass sich an einem Ende des Stabs (1) ein Hilfs-Pol (1a) und am gegenüberliegenden Ende ein tellerartiger Haupt-Pol (1b) ausbildet und dass die Spule (3- umfassend mehrere Windungen - die Hülse (2) vollständig umgibt, wobei ausschließlich die Hülse (2), nicht aber der Stab (1) umpolbar ist und eine bistabile lineare Bewegung des Stabs (1) erzielt wird.Magnetically bistable axially symmetrical linear actuator (A) for tactile applications with a hard magnetic rod (1) which is widened at one end in a plate-like manner (1b) and with a coil (3) arranged on a circuit board in which the rod (1) is freely movable in the axial direction, characterized in that the rod (1) consists of a material with a very high coercive field strength, that it is axially enclosed by a hard magnetic sleeve (2) of at most the same length with a significantly lower coercive field strength and is freely movable in the axial direction and that the travel of the rod (1) is determined by its excess length (h) in comparison to the length of the hard magnetic sleeve (2), such that an auxiliary pole (1a) is formed at one end of the rod (1) and a plate-like main pole (1b) is formed at the opposite end and that the coil (3 - comprising several turns - completely surrounds the sleeve (2), whereby only the sleeve (2), but not the rod (1), can be reversed. and a bistable linear movement of the rod (1) is achieved.
Description
Die Erfindung betrifft, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen magnetisch bistabilen axialsymmetrischen Linear-Aktuator. Weiterhin betrifft die Erfindung Vorrichtungen mit diesem für taktile Anwendungen, gemäß Patentanspruch 5. Weiterhin betrifft die Erfindung, gemäß Patentanspruch 14, eine Schaltmatrix zur Ansteuerung von Zeilen-und Spalten-weise verbundener Spulen bei einer Vorrichtung nach Patentanspruch 5. Schließlich betrifft die Erfindung, gemäß Patentanspruch 20, eine intuitiv nutzbare optisch-taktile Sehhilfe zur Substitution des menschlichen Seh-Sinns mit Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 13 und einer Schaltmatrix nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 19.The invention relates, according to the preamble of
Taktile Displays (Braille-Zeilen) zur Ausgabe der Daten von Computern (PCs) für sehbehinderte Menschen sind seit langem bekannt. Mit der Einführung von grafischen Bedienoberflächen (z.B. „Windows“- Betriebssystem) an PCs und mit der wachsenden Verbreitung von Bildschirm-orientierten Betriebssystemen und grafischer Benutzer-Software wird seitens der Sehbehinderten der Ruf nach neuartigen Grafik-Displays auf taktiler Basis laut. Man stellt sich hier z.B. eine Matrix von 200x400 taktilen Stiften auf einer Abtastfläche vergleichbar mit DIN A4 vor. Somit muss eine flächenmäßig dichte Aneinanderreihung der zum Stiftantrieb erforderlichen Aktuatoren möglich sein. Gerade im Hinblick auf die wachsende Zahl mobiler IT-Geräte (Notebooks, Laptops, Smart- phones oder intelligente Uhren) ist zudem besonderer Augenmerk auf möglichst geringe Bauhöhe der Display-Einheit, bei gleichzeitig minimalem Energiebedarf zu richten. Insbesondere entsteht die Notwendigkeit, auch großflächige taktile Anzeige-Vorrichtungen mit einer großen Anzahl von Einzelstiften (z.B. 200 x 400) bereitzustellen. Speziell für die reine Grafik-Ausgabe wünscht man zusätzlich Stift-Abstände von maximal 2.0mm. Im Vergleich zu den Braille-Zellen zur Schrift-Symboldarstellung (8 Stifte, Abstand = 2.5mm pro Symbol, zusätzlicher lateraler Raum zwischen den einzelnen Symbolen) stellt dies eine deutlich höhere Anforderung dar.Tactile displays (Braille lines) for displaying data from computers (PCs) for visually impaired people have been known for a long time. With the introduction of graphical user interfaces (e.g. "Windows" operating system) on PCs and the increasing popularity of screen-oriented operating systems and graphical user software, visually impaired people are calling for new types of tactile-based graphic displays. For example, one can imagine a matrix of 200x400 tactile pens on a scanning surface comparable to DIN A4. This means that the actuators required to drive the pens must be arranged close together in terms of area. Particularly in view of the growing number of mobile IT devices (notebooks, laptops, smartphones or smart watches), special attention must be paid to keeping the height of the display unit as low as possible while simultaneously using minimal energy. In particular, there is a need to provide large-area tactile display devices with a large number of individual pins (e.g. 200 x 400). For pure graphic output in particular, pin spacing of a maximum of 2.0mm is also required. Compared to the Braille cells for displaying written symbols (8 pins, spacing = 2.5mm per symbol, additional lateral space between the individual symbols), this represents a significantly higher requirement.
Auf Grund der komplexen Randbedingungen bei der Nutzung taktiler braille-Zeilen haben sich Piezo-Antriebe für die Stifte am Markt durchgesetzt. Die in der Regel als Biege-Elemente arbeitenden, sehr teuren keramischen Aktuatoren erfordern allerdings zusätzliche mechanische Kraftumlenkungen, um eine senkrecht zur Abtastfläche verlaufende Stiftbewegung überhaupt zu realisieren. Im Zusammenspiel mit der zur Aktuator-Ansteuerung benötigten Hochspannung ergibt sich bis heute speziell in Hinsicht auf Flächendisplays ein enorm hohes Preisniveau. Jüngste Schätzungen für den Preis eines taktilen Flächendisplays (7600 Stifte) kommen in die Größenordnung des Jahreslohns eines sehr gut verdienenden Angestellten.Due to the complex conditions when using tactile Braille lines, piezo drives for the pens have become established on the market. The very expensive ceramic actuators, which usually work as bending elements, require additional mechanical force deflections in order to even realize a pen movement perpendicular to the scanning surface. In combination with the high voltage required to control the actuator, this results in an extremely high price level, especially with regard to surface displays. The latest estimates for the price of a tactile surface display (7600 pens) are in the order of magnitude of the annual salary of a very well-paid employee.
Die mechanischen, elektrischen und preislichen Nachteile der etablierten Piezomodule führten auch dazu, dass bis heute für Blinde keine „Barrierefreiheit“ im gesamten Selbstbedienungsbereich gegeben ist. Seien es Fahrkartenautomaten mit grafischer Streckendarstellung, Getränkeautomaten oder Geld/ Bank-Automaten: der Blinde hat keine Chance, diese Geräte diskret zu nutzen, weil in der Regel schlicht kein für ihn geeignetes taktiles Ausgabemedium eingebaut ist.The mechanical, electrical and price disadvantages of the established piezo modules have also led to the fact that to this day there is no "barrier-free" access for blind people in the entire self-service area. Whether it is ticket machines with graphic route displays, drinks machines or cash/bank machines: blind people have no chance of using these devices discreetly because there is usually no suitable tactile output medium built in.
Im Zusammenhang mit den benötigten Mindestkräften (z.B.: 0.3N) für einen zuverlässigen Abtastvorgang durch den fühlenden Finger sind kleine Stiftabstände ein grundsätzliches Problem, da bei allen Axial-Aktor - Typen in der Umgebung des taktilen Stifts eine ausreichende Menge von Funktions- Material - hier z.B. beim magnetischen Aktuator vor allem eine Spule mit einer hohen Anzahl von Draht-Windungen - angebracht werden muss. Die simple Aneinander-Reihung von allen axialen Aktuatoren des taktilen Displays in einer Ebene (parallel zur Ebene der Taststifte) ist deshalb aus räumlichen Gründen nicht möglich.In connection with the minimum forces required (e.g. 0.3N) for a reliable scanning process by the sensing finger, small pin spacing is a fundamental problem, since with all axial actuator types a sufficient amount of functional material must be attached in the vicinity of the tactile pin - in this case, for example, with the magnetic actuator, this primarily means a coil with a large number of wire turns. The simple arrangement of all axial actuators of the tactile display in one plane (parallel to the plane of the stylus) is therefore not possible for spatial reasons.
Das Problem enger Rasterung trifft natürlich auch auf die meist elektrische Ansteuerung der Aktuatoren zu. Gerade bei Piezo-Anwendungen ist dies besonders kritisch, da elektrische Hochspannungs-Module eingesetzt werden. Letztlich ist bei allen Aktuator- Typen eine beträchtliche Fläche für die Unterbringung der in der Regel integrierten Schaltkreise (IC's) bereitzustellen. Dies wird meist durch seitliche Anbringung der IC's neben der Aktuatorfläche gelöst, macht also das Display insgesamt weniger kompakt.The problem of tight spacing also applies to the mostly electrical control of the actuators. This is particularly critical in piezo applications, as high-voltage electrical modules are used. Ultimately, all actuator types require a considerable area to accommodate the integrated circuits (ICs). This is usually solved by attaching the ICs to the side next to the actuator surface, making the display less compact overall.
Auf Grund der heutigen Marktsituation bei taktilen Displays kann die folgende Betrachtung mit dem Schwerpunkt auf Piezo-keramischen Aktuatoren geführt werden. Diese Technologie repräsentiert derzeit noch den Stand der Technik auf diesem Gebiet, wie z.B. eine Vor-Studie zum „HyperBraille“ - Projekt (Bericht des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie, 10115 Berlin, April 2010, www.bmwi.de) aufzeigt.Due to the current market situation for tactile displays, the following discussion can focus on piezo-ceramic actuators. This technology currently represents the state of the art in this field, as shown by a preliminary study on the "HyperBraille" project (report by the Federal Ministry of Economics and Technology, 10115 Berlin, April 2010, www.bmwi.de).
Für großflächige Displays müssen die Aktuatoren sehr eng aneinander gereiht werden. So ergibt sich hier bei Piezo-Lösungen eine beträchtliche Bauhöhe durch z.B. komplizierte Stapeltechniken von mehreren Platinen, was dazu führt, dass insbesondere für mobile Anwendungen die Piezotechnik wenig attraktiv ist - nicht zuletzt wegen Sicherheitsaspekten im Zusammenhang mit der benötigten elektrischen Hochspannung (> 100V) zur Ansteuerung der eigentlichen Biege-Elemente.For large-area displays, the actuators must be arranged very closely together. Piezo solutions therefore have a considerable height due to, for example, complicated stacking techniques for several circuit boards, which means that piezo technology is not very attractive, especially for mobile applications - not least because of safety aspects in connection with the high electrical voltage (> 100V) required to control the actual bending elements.
Vor allem ist bei jeder Piezo-Lösung nachteilig, dass mindestens eine stabile Stift-Position („oben“ oder „unten“) nur durch permanente elektrische Ansteuerung zu realisieren ist. Im energiesparenden „Aus-Zustand“ des gesamten Displays ist somit keine gültige Anzeige der Daten gewährleistet.The main disadvantage of any piezo solution is that at least one stable pin position ("up" or "down") can only be achieved through permanent electrical control. In the energy-saving "off" state of the entire display, valid display of the data is therefore not guaranteed.
Die Mehrzahl der taktilen Displays verwendet Piezo-Aktuatoren, verbunden mit all ihren resultierenden Nachteilen (hoher Preis, große Bauhöhen, permanente elektrische Hochspannung, mechanische Zusatz-Vorrichtungen zur Kraftübertragung), wie z.B. in
In
Ein mit magnetischen Aktuatoren versehenes Flächendisplay, insbesondere einen Display-Ansätze für mobile Lösungen zeigt
Ein prinzipiell ähnliches Vorgehen wird in
Im
Auch eine in der
Magnetische Linerar-Aktuatoren werden auch in
Speziell für die mobile taktile Anzeige in braille-Symbolen wird in
In
In
Der primäre Ansatz von
Sämtlichen vorgestellten elektromagnetischen Lösungen ist gemeinsam, dass keinerlei Angaben zur geometrischen Gestaltung der Pol-Formen (z.B. Konturen oder Seitenverhältnisse) gemacht werden, die auf die speziellen Erfordernisse bei taktilen Flächen-Displays eingehen. Darüber hinaus werden auch Lösungen über „Memory-Metalle“ diskutiert (siehe hierzu z.B. Haga,
Für eng angeordete taktile Stifte in braille-Schrift-Displays und grafischen Flächendisplays soll eine mechanisch- konstruktiv einfache und preiswerte bistabile elektromagnetische lineare Antriebseinheit bereitgestellt werden, bei der die „oben“ und „unten“ - Position mechanisch eindeutig definiert ist. Dies soll ohne zusätzliche Halte-, Hebel- und Dämpfungs-Vorrichtungen geschehen und eine geringe Bauhöhe des späteren Gesamt-Displays ermöglichen. Insbesondere Haltekraft und Halteposition der „oben“- Position sollen den taktilen Anforderungen entsprechend durch einfache konstruktive Maßnahmen einstellbar sein. Vor allem im Hinblick auf mobile Anwendungen soll der Aktuator besonders energiesparend sein und selbst im elektrischen „Aus-Zustand“ des Gesamtgerätes die korrekte Darstellung der letzten Computerdaten beibehalten. Für die großflächige Darstellung grafischer Inhalte muss die unbegrenzte enge (= Raster-Abstand kleiner oder gleich 2,5mm) flächige Aneinanderreihung der Einzel-Aktuatoren gewährleistet sein. Störungen und Kopplungen zwischen den einzelnen Aktuatoren müssen minimiert werden.For closely arranged tactile pins in braille displays and graphic surface displays, a mechanically and structurally simple and inexpensive bistable electromagnetic linear drive unit is to be provided in which the "up" and "down" positions are mechanically clearly defined. This should be done without additional holding, lever and damping devices and allow a low overall height of the later overall display. In particular, the holding force and holding position of the "up" position should be adjustable according to the tactile requirements using simple design measures. With regard to mobile applications in particular, the actuator should be particularly energy-saving and retain the correct display of the last computer data even when the entire device is electrically "off". For the large-scale display of graphic content, the unlimited close (= grid spacing less than or equal to 2.5 mm) surface arrangement of the individual actuators must be guaranteed. Interference and coupling between the individual actuators must be minimized.
Die triviale Randbedingung eines derartigen Computer-Displays ist hierbei natürlich die schnelle Einzeladressier-Möglichkeit (ähnlich wie in einem „Random Access Memory“) der taktilen Stifte. Weiterhin soll dabei ermöglicht werden, eine Vielzahl senkrecht zu bewegender Stifte großflächig in einem vorgegebenen engen Raster-Abstand so zu positionieren, dass trotz einer das eigentliche Stift-Rastermaß deutlich übersteigenden lateralen Dimension der- einzelnen Antriebseinheit der gewünschte enge Rasterabstand der Stifte realisiert werden kann. Die mechanische Kraftübertragung und elektrische Versorgung der Aktuatoren muss dabei mit minimaler Bauhöhe des Displays realisiert werden.The trivial boundary condition of such a computer display is of course the ability to quickly address each tactile pin individually (similar to a "random access memory"). Furthermore, it should be possible to position a large number of vertically moving pins over a large area at a predefined narrow grid spacing so that the desired narrow grid spacing of the pins can be achieved despite a lateral dimension of the individual drive unit that significantly exceeds the actual pin grid dimension. The mechanical power transmission and electrical supply of the actuators must be implemented with a minimal height of the display.
Mit der wachsenden Verbreitung von Bildschirm-orientierten Betriebssystemen und grafischer Benutzer-Software entsteht die Notwendigkeit, auch großflächige taktile Anzeige-Vorrichtungen mit einer großen Anzahl von Einzelstiften (z.B. 200 x 400) bereitzustellen. Gerade aufgrund der hohen Zahl von Einzelstiften ist deshalb die einwandfreie Funktion des einzelnen taktilen Stifts über einen langen Benutzungs-Zeitraum Voraussetzung, um die einwandfreie Funktion des Displays als Ganzem zu garantieren. So entstehen - allein schon aus Sicht der Fehlerstatistik - deutlich gesteigerte Anforderungen bezüglich der Zuverlässigkeit der Funktion des Einzelstifts.With the increasing use of screen-oriented operating systems and graphical user software, there is a need to provide large-area tactile display devices with a large number of individual pens (e.g. 200 x 400). Due to the large number of individual pens, the flawless function of the individual tactile pen over a long period of use is a prerequisite for guaranteeing the flawless function of the display as a whole. This means that - from the point of view of error statistics alone - significantly increased requirements arise with regard to the reliability of the function of the individual pen.
Mangelnde Robustheit und kurze Service-Intervalle sind auch ein wesentlicher Grund, warum bisherige taktile Displays im öffentlichen Raum kaum Eingang gefunden haben. So ist bis heute für Blinde praktisch keine „Barrierefreiheit" z. B. im gesamten Selbstbedienungsbereich gegeben: seien es Fahrkartenautomaten, Getränkeautomaten oder Geld/ Bank- Automaten: der Blinde hat keine Chance, diese Geräte diskret zu nutzen, weil in der Regel schlicht keine für ihn geeignete Leseeinheit eingebaut ist.A lack of robustness and short service intervals are also a major reason why tactile displays have so far hardly found their way into public spaces. To date, there is practically no "accessibility" for blind people, for example in the entire self-service area: be it ticket machines, drinks machines or cash/bank machines: the blind person has no chance of using these devices discreetly because there is usually simply no reading unit built in that is suitable for them.
Völlig unabhängig vom eingesetzten Aktuator-Typ steht für den Endnutzer die leichte Lesbarkeit der Anzeige - das bedeutet möglichst hohe Mindest-Stellkräfte (wie z.B. 0.3N) für einen zuverlässigen Abtastvorgang durch den fühlenden Finger - und vor allem die Zuverlässigkeit des Gesamt-Geräts im Vordergrund. Die Hauptquelle von Störungen sind jedoch Verschmutzungen, die allein aus dem Wesen des taktilen Vorganges beim Lesen oder bei der Eingabe entspringen: Fett, Hautpartikel, Haare und Schweiß werden direkt durch den das Display nutzenden Menschen eingebracht. Staub, Feuchtigkeit und durch Versehen herbeigeführte Benetzung des Displays mit Flüssigkeit tun ihr Übriges dazu, früher oder später den Service-Fall herbeizuführen.Regardless of the type of actuator used, the end user's main concern is the easy readability of the display - this means the highest possible minimum actuating force (e.g. 0.3N) for a reliable scanning process by the tactile finger - and above all the reliability of the entire device. The main source of malfunctions, however, is contamination, which arises solely from the nature of the tactile process when reading or entering data: grease, skin particles, hair and sweat are brought in directly by the person using the display. Dust, moisture and accidental wetting of the display with liquid do the rest to cause a service case sooner or later.
Ein Weg äußere Einflüsse zu minimieren wird durch das Auflegen von Folien auf die taktile Tastfläche beschritten, wie in
Die Alternative zur Abdeckung der Display-Oberseite ist die Abdichtung des einzelnen Stifts in seiner Führung, wie z.B. in
Um ein Verschmutzungs-Problem im Stift-Bereich beheben zu können, muss der Endnutzer in der Regel das gesamte taktile Display zur Reinigung an den Hersteller einsenden.
Folgerichtig wird in den nachgeordneten Unteransprüchen auch auf die Notwendigkeit von zusätzlichen Schnäppern für die Gewährleistung der Passfunktion zwischen Modulkörper und Lesestifteinheit in ihrer Gesamtheit hingewiesen. Dadurch wird auch klar, dass erheblicher Aufwand für die mechanische Präzision (Toleranz-Problem) der beiden komplexen Teile nötig sein wird. Die dargestellte magnetische Kopplung mit einem flächigen Permanentmagneten am Stiftende erfüllt ohne zusätzliche mechanische Vorrichtungen also keinesfalls die Aufgabe, den individuellen Einzelstift zuverlässig ohne Einprägung von Querkräften zu justieren.Consequently, the subordinate claims also point out the need for additional catches to ensure the fit between the module body and the reading pen unit as a whole. This also makes it clear that considerable effort will be required for the mechanical precision (tolerance problem) of the two complex parts. The magnetic coupling shown with a flat permanent magnet at the end of the pen therefore does not fulfil the task of reliably adjusting the individual pen without the application of transverse forces without additional mechanical devices.
Für taktile Stifte soll eine einfache und preiswerte Möglichkeit geschaffen werden, die negativen Folgen der allgegenwärtigen Verschmutzungsquellen für die einwandfreie Funktion des Einzelstifts zu minimieren, ohne dass durch diese Maßnahme die taktile Qualität des Displays beeinträchtigt wird. Dabei soll im Servicefall jeder Einzelstift leicht zu entfernen / zu reinigen und problemlos wieder einsetzbar sein, und dies möglichst selbst durch einen ungeschickten, sehbehinderten Endnutzer.For tactile pens, a simple and inexpensive way should be created to minimize the negative effects of the omnipresent sources of contamination on the proper functioning of the individual pen, without this measure affecting the tactile quality of the display. In the event of servicing, each individual pen should be easy to remove/clean and re-use without any problems, and if possible even by a clumsy, visually impaired end user.
Die kongruente Übertragung des Umganges mit grafischer Bedienoberfläche auf den Nutzungsbereich sehbehinderter Menschen am PC verlangt aber zusätzlich auch die interaktive, intuitive Nutzbarkeit des taktilen Displays als Eingabe-Einheit, also eine bidirektionale Betriebsweise. Beim Gegenstand der bereits weiter oben gewürdigten
Weiterhin ist aus der
Weiterhin ist aus der
Eine reine Eingabevorrichtung mit haptischer Rückmeldung eines Tasten-Drucks über Spulen und bewegliche Magnete beschreibt
Dieselbe rein passive Funktionsweise zeigt auch
Eine ökonomische Matrix-Verschaltung von Signalen beschreibt auch
Ein Matrix-Sensorelement ist auch in
Für stark sehbehinderte Menschen gibt es eine Fülle von optischen Sehhilfe-Geräten, die meist durch Vergrößerung und Kontrasterhöhung Hilfestellung bieten. Für völlig erblindete Menschen stellt diese Art von Geräten naturgemäß keinerlei Hilfe dar. Der Einsatz von akustischen Hilfsgeräten bringt zwar z.B. beim „Auslesen“ von Texten eine Hilfe, gibt dem Blinden aber keinerlei weitere grafische oder optische Information. Umgekehrt verfügt der massiv sehbehinderte in der Regel aber über eine ausgeprägt gute taktile Empfindsamkeit in seinen Fingerspitzen, meist bedingt durch das intensive Training mit dem Lesen der Braille-Schriftzeichen.There are a wide range of optical vision aids available for people with severe visual impairments, which usually provide assistance by magnifying and increasing contrast. For people who are completely blind, this type of device is naturally of no help at all. The use of acoustic aids does help with "reading out" text, for example, but does not provide the blind person with any additional graphic or optical information. Conversely, people with severe visual impairments generally have very good tactile sensitivity in their fingertips, usually due to intensive training in reading Braille characters.
Deshalb sind taktile Displays für die Ausgabe der Daten von Computern (PCs) für sehbehinderte Menschen als sog. „Braille-Zeilen“ weit verbreitet. Inzwischen sind auch großflächige taktile Grafik-Displays mit einer hohen Anzahl (z.B. 250 x 400) von Fühlpositionen technisch realisierbar. Erste Exemplare derartiger Displays werden inzwischen als Prototypen für stationäre Anwendungen auf einschlägigen Messen vorgestellt.For this reason, tactile displays for the output of data from computers (PCs) for visually impaired people are widely used as so-called "Braille lines". Large-area tactile graphic displays with a large number (e.g. 250 x 400) of tactile positions are now technically feasible. The first examples of such displays are now being presented as prototypes for stationary applications at relevant trade fairs.
Gerade im Hinblick auf die in der Regel vorhandene hohe taktile Kompetenz der Nutzer von taktilen Grafik-Displays bzw. Standard- Braille- Zeilen wird der Ruf nach einer universellen (= nicht nur auf Textvorlagen beschränkten) mobilen taktilen Sehhilfe für Blinde laut:
- Erschließung der visuellen, durch die Sehbehinderung nicht direkt zugänglichen Domäne, unter Einsatz der eigenen taktilen Fähigkeiten und eines hierfür maßgeschneiderten neuen Hilfsmittels. Entscheidend zur Durchsetzung am Markt wird die intuitive Nutzbarkeit des Gerätes sein: es wird erwartet, dass praktisch ohne zusätzliches intensives Training der unbewusste Ablauf des „normalen“ menschlichen Gesichtssinns als Ganzem mit fovealem und periphärem Sehen auf taktiler Ebene simuliert werden kann und die Sehhilfe dabei auch mobil einsetzbar ist.
- Access to the visual domain that is not directly accessible due to the visual impairment, using one's own tactile skills and a new aid tailored to this purpose. The intuitive usability of the device will be crucial to its success on the market: it is expected that the unconscious process of the "normal" human sense of sight as a whole with foveal and peripheral vision can be simulated on a tactile level with practically no additional intensive training, and that the visual aid can also be used on the move.
Erste Anfänge des Versuchs, optische Strukturen in für den Blinden fühlbare Information mit nennenswerter Orts-Auflösung zu erhalten sind in DT 2330403 A1 beschrieben. Hier wird mittels eines Kontakt- Verfahrens, also ohne linsenoptische Abbildung, eine planare Kontrast-Struktur in eine analoge elektrische Ladungsmuster-Matrix mit einer bestimmten, konstruktionsbedingten lateralen Auflösung übertragen. Als Sensor für diese Information wird die menschliche Haut, wegen der ebenen Konstruktion der Ladungsträger-Matrix bevorzugt die Stirnpartie des Menschen als Auflagefläche, vorgeschlagen. Allein schon abgesehen von der sehr beschränkten lateralen Auflösung dieser Methode ist dieses „Sehen mit der Haut“ mit einem beträchtlichen, jahrelangen Trainings-Aufwand verbunden. Die Zuverlässigkeit des Verfahrens (z. B. die Problematik elektrischer Ladungen bei hoher Luftfeuchtigkeit) ist ebenfalls zweifelhaft. Zudem steht wegen des Fehlens abbildender Linsenelemente kein reales Abbild der 3- dimensionalen realen Umwelt zur Verfügung. Ein „taktiler Interaktions-Monitor (TIM) wird in
Der Einsatz einer Kamera montiert in einer brillen-ähnlichen Konstruktion wird in
Aus
Weiterhin ist ein ähnliches taktiles Display, wobei ein magnetischer Stab durch Anlegen einer Spannung auf eine Spule linear bewegt wird, aus der
Weiterhin ist ein ähnliches taktiles Display, wobei ein magnetischer Stab durch Anlegen einer Spannung auf eine Spule linear bewegt wird, aus
Schließlich ist auf dem technisch entfernten Gebiet der Unterhaltungselektronik, nämlich Videorecorder mit Schrägspurabtastung, aus der
Der Erfindung liegt gegenüber den bekannten linearen magnetischen Aktuatoren die Aufgabe zugrunde, einen solchen elektromagnetischen Aktuator für taktile Anwendungen zur Verfügung zu stellen, insbesondere für taktile Stifte in braille-Schrift-Displays und grafischen Flächendisplays, mit dem eine mechanischkonstruktiv einfache und preiswerte bistabile elektromagnetische lineare Antriebseinheit realisiert werden kann. Weiterhin soll mit den Aktuatoren dabei ein Display mit minimaler Bauhöhe realisiert werden. Weiterhin soll das Eindringen von Schmutzpartikeln in den Innenraum des Aktuators minimiert werden. Weiterhin soll eine einfache und kostengünstige Anordnung zur elektrischen Beschaltung von elektromagnetischen Aktuator - Spulen bereitgestellt werden, die es erlaubt, das taktile Anzeige-Display ausschließlich mittels der bereits vorhandenen Aktuator-Spulen zur Ausgabe von Daten auch als Eingabe-Einheit zu nutzen, ohne dass zusätzliche Eingabe-Schalter oder weitere Eingabe-Sensoren verbaut werden müssen. Schließlich soll dem Blinden eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die ihm eine möglichst perfekte Substitution und Simulation des „normalen“ menschlichen Gesichtssinns auf taktiler Ebene bietet. Compared to the known linear magnetic actuators, the invention is based on the task of providing such an electromagnetic actuator for tactile applications, in particular for tactile pens in braille displays and graphic surface displays, with which a mechanically simple and inexpensive bistable electromagnetic linear drive unit can be realized. Furthermore, the actuators should be used to create a display with a minimal height. Furthermore, the penetration of dirt particles into the interior of the actuator should be minimized. Furthermore, a simple and inexpensive arrangement for the electrical wiring of electromagnetic actuator coils should be provided, which allows the tactile display to be used exclusively by means of the existing actuator coils to output data as an input unit, without the need to install additional input switches or other input sensors. Finally, the blind should be provided with a device that offers them the most perfect possible substitution and simulation of the "normal" human sense of sight on a tactile level.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Aktuator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die Merkmale des Kennzeichenteils gelöst.This object is achieved according to the invention in an actuator according to the preamble of
Beim erfindungsgemäßen Aktuator wird der hartmagnetische, an einem Ende als speziell geformter Teller ausgebildete polarisierte Stab im Inneren der ebenfalls hartmagnetischen Hülse beweglich derart angeordnet, dass der Teller selbst immer außerhalb der Hülse positioniert ist. Die Koerzitiv-Feldstärke des Materials der den Stab umgebenden Hülse ist dabei deutlich geringer als diejenige des beweglichen Stabes. Somit ist gewährleistet, dass zwar die Hülse von der beide Hartmagneten (Stab und Hülse) umgreifenden, bestromten Spule gezielt umgepolt werden kann, die Polarisierung des beweglichen Stabes hierdurch aber nicht verändert wird. Nur für den kurzen Moment der eigentlichen Um-Magnetisierung (< 1 µs) des Hülsen-Materials muss der Maximal-Strom für die Spule bereitgestellt werden. Die Endlage „oben“ liefert die maximale Haltekraft und wird durch die magnetische Anziehung zwischen dem speziell geformten Teller (= „Hauptpol“, Anker) und der geeignet dimensionierten Stirnfläche der umgebenden Hülse realisiert. Diese Stirnfläche ist so dimensioniert, dass sie im Zusammenspiel mit dem speziell geformten Hauptpol die benötigte Haltekraft bereitstellt, diese dabei jedoch genau so einrichtet, dass sie im Umschaltfall (Hülse und Spulenstrom umgepolt) überwunden werden kann und sich der Anker somit zur anderen Endlage bewegen kann. Die geometrische Position der Endlage „unten“ wird durch die Gesamtlänge des Stabes und damit dem Abstand des „Hilfspoles“ vom Anker klar definiert.In the actuator according to the invention, the hard magnetic polarized rod, which is designed as a specially shaped plate at one end, is movably arranged inside the hard magnetic sleeve in such a way that the plate itself is always positioned outside the sleeve. The coercive field strength of the material of the sleeve surrounding the rod is significantly lower than that of the movable rod. This ensures that the sleeve can be specifically reversed by the energized coil that encompasses both hard magnets (rod and sleeve), but that the polarization of the movable rod is not changed by this. The maximum current for the coil only has to be provided for the brief moment of the actual remagnetization (< 1 µs) of the sleeve material. The end position "top" provides the maximum holding force and is realized by the magnetic attraction between the specially shaped plate (= "main pole", armature) and the suitably dimensioned end face of the surrounding sleeve. This front surface is dimensioned in such a way that it provides the required holding force in conjunction with the specially shaped main pole, but is set up in such a way that it can be overcome in the event of a switchover (sleeve and coil current reversed) and the armature can thus move to the other end position. The geometric position of the "bottom" end position is clearly defined by the total length of the rod and thus the distance of the "auxiliary pole" from the armature.
Weiterhin wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung zur Anordnung von Axial-Aktuatoren nach Anspruch 1 für taktile Displays mit einer Stift-Platte und Stiften, nach Patentanspruch 2 dadurch gelöst, dass die Aktuatoren in mindestens zwei und maximal vier zur Stift-Platte des Displays parallel verlaufenden und senkrecht gestaffelten Ebenen derart angeordnet sind, dass die lateralen gegenseitigen Abstände der Aktuatoren in einer Ebene größer sind, als das für die Stift-Platte vorgegebene Rastermaß.Furthermore, this object is achieved in a device for arranging axial actuators according to
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht auf überraschend einfache Art und Weise die Realisierung eines Displays mit minimaler Bauhöhe, wobei die einzelnen Axial-Aktuatoren zweidimensional - versetzt parallel zur Stift-Platten-Ebene mit Stiften des Flächen-Displays angeordnet werden. Die Arbeitsrichtung der einzelnen Aktuatoren und die Ebene der Stift-Platte stehen senkrecht aufeinander.The device according to the invention enables the realization of a display with a minimal height in a surprisingly simple manner, whereby the individual axial actuators are arranged two-dimensionally - offset parallel to the pin-plate plane with pins of the surface display. The working direction of the individual actuators and the plane of the pin-plate are perpendicular to each other.
In Weiterbildung der Erfindung hat, gemäß Patentanspruch 3, der Haupt-Pol die Kontur eines Kegels oder eines Kegel-Stumpfes oder eines Kegel-Stumpfes mit scheibenförmiger Grundfläche als tellerartige Erweiterung, wobei die Höhe des Kegels oder des Kegel-Stumpfes oder die Höhe der tellerartigen Erweiterung des Stabes bewirken, dass das Streufeld des tellerartigen Haupt-Pols in der „unten“-Position des Aktuators nicht mehr in der Lage ist, die Magnetisierung der Hülse umzuschalten.In a further development of the invention, according to
Diese Weiterbildung weist den Vorteil auf, dass auf einfache Art und Weise die räumliche Ausdehnung des Streufelds gezielt beeinflusst werden kann, so dass eine enge (= Raster-Abstand kleiner oder gleich 2,5mm) flächige Aneinanderreihung der Einzel-Aktuatoren in einem braille-Schrift-Display und/oder grafischen Flächendisplay gewährleistet sein kann.This further development has the advantage that the spatial extent of the stray field can be influenced in a simple manner, so that a close (= grid spacing less than or equal to 2.5 mm) surface arrangement of the individual actuators in a Braille display and/or graphic surface display can be ensured.
In Ausbildung der Erfindung ist, gemäß Patentanspruch 11, zum zuverlässigen Betrieb der beweglicher Taststifte unter der Ebene der Stift-Platte eine mechanische Schmutzblende angeordnet, die durch geometrische Abschattung das Eindringen von Schmutzpartikeln in den Innenraum minimiert.In an embodiment of the invention, according to
Diese Ausbildung weist den Vorteil auf, dass es nun möglich ist, sowohl das Größen-Spektrum als auch die Menge der in der Umgebung des Aktuators abgelagerten Schmutz-Partikel zu minimieren. Dadurch dass unter der Führung des Einzelstifts in der Stift-Platte eine geometrisch als Schmutzblende wirkende Vorrichtung eingebaut ist, wird der eigentliche Aktuator von Schmutz abschirmt. Die fertigungstechnische Schwierigkeit, dabei hochpräzise mechanische Passungen zwischen Stift -Platte und Aktuator zu gewährleisten wird umgangen, indem der Stift mit dem Aktuator über eine lösbare magnetische Verbindung gekoppelt ist, die sich schon beim ersten Montagevorgang in der Fertigung des Displays von selbst geometrisch justiert. Für den späteren Servicefell entsteht der zusätzliche Vorteil, dass der Endnutzer (mit Hilfe eines sehr einfachen Greifwerkzeuges oder den Fingernägeln) den einzelnen Stift von außen aus dem Display entfernen kann, um anschließend mittels einer Reinigung gezielt den betroffenen einzelnen Stift selbst sowie dessen Führungsflächen wieder funktionstüchtig zu machen.This design has the advantage that it is now possible to minimize both the size spectrum and the amount of dirt particles deposited in the vicinity of the actuator. Because a geometrically designed dirt shield is installed under the guide of the individual pin in the pin plate, acting device is installed, the actual actuator is shielded from dirt. The manufacturing difficulty of ensuring high-precision mechanical fits between the pin plate and the actuator is avoided by coupling the pin to the actuator via a detachable magnetic connection, which geometrically adjusts itself during the first assembly process in the production of the display. For later servicing, there is the additional advantage that the end user can remove the individual pin from the outside of the display (with the help of a very simple gripping tool or fingernails) and then use a targeted cleaning to make the affected individual pin itself and its guide surfaces functional again.
In Weiterbildung der Erfindung bei einer Schaltmatrix, gemäß Patentanspruch 14, zur Ansteuerung von Zeilen-und Spalten-weise verbundener Spulen bei einer Vorrichtung nach Anspruch 5, weisen die Spulen im Inneren jeweils einen hartmagnetischen axial beweglichen Kern auf, und somit kann die einzelne Spule sowohl passiv als Sensor über die elektromagnetische Induktion durch mechanisches Verschiebung des hartmagnetischen Kerns, als auch mechanisch aktiv als Aktuator mittels gezielter Bestromung der Spule fungieren.In a further development of the invention in a switching matrix, according to claim 14, for controlling coils connected in rows and columns in a device according to claim 5, the coils each have a hard magnetic axially movable core inside, and thus the individual coil can function both passively as a sensor via electromagnetic induction by mechanical displacement of the hard magnetic core, and mechanically actively as an actuator by means of targeted current supply to the coil.
Diese Weiterbildung weist den Vorteil auf, dass auf einfache Art und Weise eine einfache und kostengünstige Anordnung zur elektrischen Beschaltung von elektromagnetischen Aktuator - Spulen bereitgestellt wird, die es erlaubt, das taktile Anzeige-Display ausschließlich mittels der bereits vorhandenen Aktuator-Spulen zur Ausgabe von Daten auch als Eingabe-Einheit zu nutzen, ohne dass zusätzliche Eingabe-Schalter oder weitere Eingabe-Sensoren verbaut werden müssen.This further development has the advantage that a simple and cost-effective arrangement for the electrical wiring of electromagnetic actuator coils is provided in a simple manner, which allows the tactile display to be used exclusively by means of the already existing actuator coils for outputting data as an input unit, without the need to install additional input switches or further input sensors.
Ein Beispiel für Intuitiv nutzbare optisch-taktile Sehhilfe zur Substitution des menschlichen Seh-Sinns ist die primäre optische Bildinformation einer Kamera, welche als Flächen-Sensor oder Zeilen-Sensor ausgestaltet, nach Durchlaufen einer software-mäßigen Bildbearbeitung zwecks Datenreduktion und Bilderkennung einer großflächigen taktilen Anzeigevorrichtung zugeführt wird, wobei die Zahl der taktilen Rasterpunkte mindestens 50 x 80 = 400 beträgt. Dies weist den Vorteil auf, dass auf einfache Art und Weise die vorhandenen taktilen Fähigkeiten dabei ausreichen, rein intuitiv, d.h. ohne durch weitere kognitive Steuerungs- und Kontroll-Funktionen, auf einem großflächigen taktilen Punktraster (typisch mindestens 80 x 100 Punkte) Darstellungs- und Warn-Möglichkeiten des Gesichtssinns zu substituieren. Wesentlich ist hier insbesondere die evolutionsbedingte Architektur: bewusstes Sehen (mit hoher Auflösung) versus unbewusstes, dafür aber schnelles periphäres Sehen (mit geringer Auflösung) in die taktile Domäne zu übertragen. Der Trainingsaufwand übersteigt dabei den üblichen Aufwand zur Gewöhnung an ein neues taktiles Hilfsmittel nicht.An example of an intuitively usable optical-tactile visual aid for substituting the human sense of sight is the primary optical image information of a camera, which is designed as an area sensor or line sensor and, after undergoing software-based image processing for the purpose of data reduction and image recognition, is fed to a large-area tactile display device, with the number of tactile grid points being at least 50 x 80 = 400. This has the advantage that the existing tactile abilities are sufficient in a simple way to substitute the display and warning options of the visual sense purely intuitively, i.e. without using additional cognitive control and monitoring functions, on a large-area tactile dot grid (typically at least 80 x 100 points). What is particularly important here is the evolutionary architecture: transferring conscious vision (with high resolution) versus unconscious but fast peripheral vision (with low resolution) into the tactile domain. The training effort does not exceed the usual effort required to get used to a new tactile aid.
Weitere Vorteile und Einzelheiten lassen sich der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmen. In der Zeichnung zeigt:
-
1a bis 1d verschiedene Funktionsphasen einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen magnetisch bistabilen axialsymmetrischen Linear-Aktuators, -
2a bis 2e fünf weitere Ausgestaltungen des Linear-Aktuators gemäß der Erfindung, -
3 die Ausgestaltung gemäß2d in einer weiteren Funktionsphase, -
4 das Diagramm aus Haltekraft und Gegenkraft für verschiedene geometrische Kombinationen in Ausgestaltung des Linear-Aktuators gemäß der Erfindung, -
5 die Ausgestaltung eines Displays mit zwei Aktuator-Ebenen gemäß der Erfindung, -
6 das Lochmuster des Displays nach5 , -
7 das Prinzip des Raster-Besetzungsmusters für eine Ausgestaltung eines Displays mit vier Aktuator-Ebenen, -
8 eine Schrägbild-Skizze der gesamten Stapel-Anordnung für das Display mit 4 Aktuator-Ebenen nach7 , -
9 eine Darstellung zur Verschmutzungs-Situation bei einem taktilen Display, -
10 die Verschmutzungs-Situation bei einem taktilen Display mit einer Schmutzblende und beweglichen Taststiften und magnetischer Ankopplung mit Selbstjustierung gemäß der Erfindung, -
11 das Einsetzen oder Entfernen eines beweglichen Taststifts für eine Vorrichtung/ taktiles Display nach10 , -
12 die Verschmutzungs-Situation für eine zweite Ausgestaltung eines taktilen Displays mit einer Schmutzblende und beweglichen Taststiften und magnetischer Ankopplung mit Selbstjustierung gemäß der Erfindung, -
13a ,13b die Verdeutlichung der Selbstjustierung für die Displays nach10 bis 12 , -
14 den Aufbau und die Beschaltung einer Spulen-Matrix für die aktive Aktuator-Funktion gemäß der Erfindung, -
15 die Spulen-Matrix nach14 im hochohmigen Eingabezustand der Vorrichtung. -
16 die Block-Anordnung einer intuitiven Sehhilfe mit einem Flächendisplay mit konstantem Rasterabstand der taktilen Punkte gemäß der Erfindung, -
17 eine Ausgestaltung mit einem Flächendisplay mit geometrisch nicht einheitlichem Punktraster, -
18 eine Ausführungsform mit einer Anordnung von Kamera Datenverarbeitung und taktiles Display in einem Gehäuse, -
19 eine Ausführungsform mit eingebauter Zeilenkamera / Scanner -
20 eine Ausführungsform als mobile Variante, insbesondere Smartphone. -
21 die Ausführungsform nach20 in Seitenansicht und -
22 eine weitere Ausführungsform der mobilen Variante.
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1a to 1d various functional phases of a first embodiment of the magnetically bistable axially symmetric linear actuator according to the invention, -
2a to 2e five further embodiments of the linear actuator according to the invention, -
3 the design according to2d in a further functional phase, -
4 the diagram of holding force and counterforce for various geometric combinations in the design of the linear actuator according to the invention, -
5 the design of a display with two actuator levels according to the invention, -
6 the hole pattern of the display5 , -
7 the principle of the grid pattern for a design of a display with four actuator levels, -
8th an oblique sketch of the entire stack arrangement for the display with 4 actuator levels according to7 , -
9 a representation of the contamination situation on a tactile display, -
10 the contamination situation in a tactile display with a dirt cover and movable styluses and magnetic coupling with self-adjustment according to the invention, -
11 the insertion or removal of a movable stylus for a device/tactile display after10 , -
12 the contamination situation for a second embodiment of a tactile display with a dirt cover and movable styluses and magnetic coupling with self-adjustment according to the invention, -
13a ,13b the clarification of the self-adjustment for the displays after10 until12 , -
14 the structure and wiring of a coil matrix for the active actuator function according to the invention, -
15 the coil matrix after14 in the high impedance input state of the device. -
16 the block arrangement of an intuitive visual aid with a surface display with constant grid spacing of the tactile points according to the invention, -
17 a design with a surface display with a geometrically non-uniform dot grid, -
18 an embodiment with an arrangement of camera data processing and tactile display in one housing, -
19 a version with built-in line camera / scanner -
20 an embodiment as a mobile variant, especially smartphone. -
21 the embodiment according to20 in side view and -
22 another embodiment of the mobile variant.
In
Dargestellt ist die stabile „oben“ Position, bei der die Spule 3 nicht bestromt ist. Der tellerförmige Haupt-Pol 1b gewährleistet die räumlich klar definierte, mit maximaler Kraft eingehaltene „oben“- Position des Stabes 1. Die Dicke des Hauptpols 1b ist mit „H1“ bezeichnet. Mit „h“ ist der Überstand des Hilfspols 1a als Differenz zur Länge der Hülse 2 bezeichnet. Die in beiden Materialien vorliegenden axialen Magnetisierungs-Richtungen sind durch Pfeile gekennzeichnet. Die Darstellung der Magnetisierungsrichtungen ist dabei als Prinz-Skizze zu betrachten.The stable "up" position is shown, in which the
Zur Realisierung der Aufwärtsbewegung des Stabes 1 fließt der Spulenstrom dann in die Gegenrichtung, mit nunmehr umgekehrter Magnetisierung der Hülse 2 und entsprechend umgekehrter Kraftrichtung, wie in
Bei der technischen Realisation zeigt sich der Übergang von
In Hinblick auf den Energiebedarf sind auch die elektrischen Schaltzeiten der Anordnung zu berücksichtigen. Das Feld des sich von der Hülse 2 entfernenden tellerförmigen Haupt-Pol 1b muss so schwach sein, dass es das Hülsenmaterial nicht mehr umschalten kann, wenn nach Abschalten des Spulenstroms die Unterstützung des abstoßenden Spulen-Magnetfeldes nicht mehr gegeben ist. Im aktiven Fall (Aktuator-Betrieb) ist die typische Anstiegszeit des Spulenstromes ca. 300µs, entsprechend der Induktivität der eingesetzten Spule 3 (typische Maße: Außendurchmesser 3.2mm, Länge 4mm, ca. 250 Windungen) bei einer typischen Ansteuerspannung von ca. 30V. Für die sichere Funktion des derart dimensionierten Aktuators sind nur ca. 3A Spulenstrom bei einer Einschaltdauer von ca. 1ms erforderlich.With regard to the energy requirement, the electrical switching times of the arrangement must also be taken into account. The field of the plate-shaped
Im passiven Fall (Betrieb der Anordnung als taktile Eingabe-Einheit, trivialerweise muss der taktile Pin dann in der „oben“-Position sein) gelten die physikalischen Zusammenhänge der elektromagnetischen Induktion: abhängig von der Rate der magnetischen Fluß-Änderung durch die Spule - bewirkt durch die Bewegung von Hauptpol 1b und Hilfspol 1a beim Niederdrücken des angekoppelten taktilen Stiftes - stellt sich über den Spulenenden eine elektrische Potentialdifferenz ein. Mit der Dynamik eines taktilen Fingerdrucks lassen sich auf diese Weise Induktionsspannungen von ca. 35mV erzielen. Die zeitliche Pulsform ist verhältnismäßig komplex, bestehend aus dem Basis-Verlauf entsprechend der rein mechanisch-taktilen Bewegungsrate und einem pegelmäßig kleineren höherfrequenten Anteil. Vermutlich nutzt man hier 2 parallele Vorgänge: einerseits wird die Magnetisierung der Hülse 2 durch das „langsame“ räumliche Entfernen des tellerförmigen Hauptpols 1b insgesamt herabgesetzt (Entspannung der beteiligten Domänen-Magnetisierung in ihre ursprüngliche Orientierung der leichten magnetischen Achse) und zudem beginnt der Hilfspol 1a beim gleichzeitigen Eintauschen in das Oberteil der Hülse 2 bereits mit der Ummagnetisierung der ersten Domänen des Hülsenmaterials. Aufgrund der mikro-magnetischen Form-Anisotropie der verwendeten Materialien geschieht dieses Umklappen der lokalen Domänen-Magnetisierung erst ab einer gewissen Feld-Schwelle, dann aber „schlagartig“, womit sich der hochfrequente Pulsanteil erklärt. Beim Loslassen des taktilen Stifts federt dieser in die ursprünglich gesetzte „oben“ Position zurück, wie es für die weiterhin korrekte Anzeige der Daten (= gesetzte braille-Pins) für den Aktuator im Ausgabe-Modus erforderlich ist. Der Spannungspeak beim Loslassen ist tendenzmäßig ca. 20% höher, mit vermehrt auftretenden hochfrequenten Anteilen beim „Aufschlagen“ des Hauptpols 1b auf die Stirnfläche der Hülse Bei Verwendung einer geeigneten elektrischen Detektions-Technik (insbesondere eine „partial-response“-Detektion, wie in der magnetischen Speicherung beim HDD- Auslesen üblich ist) kann man den erfindungsgemäßen bi-stabilen Aktuator auch als Eingabe-Einheit verwenden. Dank der Matrix-Ansteuerung der Spulen ist dabei sogar die Position des gedrückten Pins bekannt. Damit kann auf überraschend einfache Art und Weise, am taktilen Display ein Maus-Cursor simuliert und kann am Computer eine 1:1 Übertragung der Bildschirm-orientierten Arbeitsweise in die taktile Domäne des blinden PC-Nutzers realisiert werden.In the passive case (operation of the arrangement as a tactile input unit, trivially the tactile pin must then be in the "up" position) the physical relationships of electromagnetic induction apply: depending on the rate of the magnetic flux change through the coil - caused by the movement of the
Diese Erkenntnisse sind die Gründe für die neuartige, spezielle Ausgestaltung der Polformen des Aktuators in der vorgestellten taktilen Anwendung. Die Gruppe der Darstellungen
Betrachtet man allein die Haltekraft in der „oben“ - Position, so erscheint zunächst die Ausführungsform der
Die kegelförmige spezielle Ausführung des Tellers 1b in
In
In
Rein skalen- technische Maßnahmen (Durchmesser 3,0 mm und Höhe 1,0 mm) bringen die Anordnung nicht in den funktionellen Bereich (in
Wie in
Man findet in
Vorteilhaft greift man bei der Herstellung der Aktuator- Ebenen 13a bis 13d auf bewährte Leiterplatten-Technologien zurück, mit deren Hilfe insbesondere die zahlreichen Durchbrüche in den Aktuator-Platten kostengünstig automatisch fertigbar sind. Auch die Bereitstellung notwendiger Verdrahtungen zur Aktuator-Ansteuerung (völlig unabhängig davon, welcher Aktuator-Typ tatsächlich eingesetzt wird) ist damit durch einen bestens eingeführten Fertigungsprozess gewährleistet. Schließlich lässt es der von Durchbrüchen freie Raum auf den Ebenen auf einfache Weise zu, auch die elektrischen Verbindungen (nicht eingezeichnet) zwischen den Ebenen bis zur Schaltkreis-Ebene 16 ähnlich den mechanischen Verbindungen zwischen Stift 11 und einzelnem Aktuator A senkrecht zur Stift-Platte 12 verlaufen zu lassen.It is advantageous to use proven printed circuit board technologies for the production of the
Die allgegenwärtigen Verschmutzungspartikel 24a dringen in den Innenraum des Displays ein, wie durch die kleinen Pfeile an den Partikeln angedeutet. Sie setzen sich entweder direkt 24b im Raum zwischen Stift 21 und Stiftplatte 12 fest, wo sie die Stiftbewegung sofort behindern, oder gelangen im Laufe der Betriebszeit des Displays sogar in die Umgebung des Funktionsbereiches des Aktuators A, um sich dort zunächst anzuhäufen, siehe 24c. Von dieser Stelle aus können sie später den Aktuator selbst massiv stören, siehe 24e.The
Durch die Erfindung ist es nun möglich, sowohl das Größen-Spektrum als auch die Menge der in der Umgebung des Aktuators A abgelagerten Schmutz-Partikel 24c zu minimieren. Dies wird erreicht durch Anbringung der in
Zur Entfernung des sich im Laufe der Betriebszeit angesammelten Schmutzpartikel kann der einzelne taktile Stift 21 mit seinem Betätigungs-Stab 26 leicht von außen durch den Benutzer entfernt werden, wie in
Dieses Vorgehen ist prinzipiell auch durch mechanische Koppel-Maßnahmen zwischen Betätigungs-Stab 26 und Aktuator A möglich (z.B. Klick-Verbindungen, Dreh-Arretierungen). Allerdings ist der gesteigerte konstruktive Aufwand für mechanische Lösungen vor allem wegen der Fertigungs-Probleme im Zusammenhang mit der Pass-Genauigkeit zwischen der Stiftplatte 12, Betätigungs-Stab 26 und Aktuator A sehr kritisch zu sehen: Eine Selbstjustierung der KontaktPosition des weichmagnetischen Betätigungs-Stifts 26 auf der Stirnfläche 27 des hartmagnetischen Aktuators A, wie bei der magnetischen Lösung (magnetische Ankopplung) in
In
Speziell die magnetisch-mechanische Selbstjustierung der Stifteinheit ist in Fig.
Die Adress-Leitungen für die horizontale Zeilen-Versorgung sind mit Za bezeichnet, diejenigen für die vertikale Spalten-Versorgung mit Sb. Der jeweilige Nummerierungs-Index Hi bzw. Vi ist prinzipiell unbegrenzt. Die Vertikal- und Horizontal - Leitungen tragen den Strom für die Spulen-Bestromung. Die Treiber-Endstufen (bezeichnet mit Ta und Tb) können auf hohes Potential (V+), niedriges Potential (V-), oder auf einen hochohmigen „high impedance“ Zustand HI gesetzt werden. Soll z.B. die zweite Spule oben bestromt werden, wird die Adressleitung V1 auf (V+) gesetzt, gleichzeitig die Adressleitung H2 auf (V-). Alle anderen mit „i“ indizierten Vi und Hi- Leitungen nehmen den hochohmigen Ausgangszustand an. Somit wird im gezeigten Beispiel nur die Spule mit den Koordinaten (2; 1) bestromt. Der Aktuator A reagiert mit der Bewegung seines hartmagnetischen Kerns K, wie durch den Doppel-Pfeil angedeutet. Alle übrigen Spulen der Matrix „sehen“ keine Potentialdifferenz an ihren Endanschlüssen, sind also mechanisch passiv. Soll der Spulenstrom in umgekehrter Richtung wirken, die Aktuatorbewegung in umgekehrter Richtung verlaufen, werden die angelegten Spannungen der ausgewählten Spule zwischen der jeweiligen H- und V- Leitung vertauscht.The address lines for the horizontal row supply are designated Za, those for the vertical column supply Sb. The respective numbering index Hi or Vi is in principle unlimited. The vertical and horizontal lines carry the current for the coil current supply. The driver output stages (designated Ta and Tb) can be set to high potential (V+), low potential (V-), or to a high-impedance state HI. If, for example, the second coil at the top is to be supplied with current, the address line V1 is set to (V+) and at the same time the address line H2 is set to (V-). All other Vi and Hi lines indexed with "i" assume the high-impedance initial state. Thus, in the example shown, only the coil with the coordinates (2; 1) is supplied with current. The actuator A reacts by moving its hard magnetic core K, as indicated by the double arrow. All other coils in the matrix do not "see" any potential difference at their end connections, and are therefore mechanically passive. If the coil current is to act in the opposite direction, and the actuator movement is to run in the opposite direction, the applied voltages of the selected coil are swapped between the respective H and V lines.
Die Adresse adr. des betroffenen Multiplexers - Eingangs im Falle eines bestimmten gerade manuell betätigten Aktuator-Kerns K kann also identifiziert werden und z.B. über die Auslösung eines Interrupts zeitlich asynchron an eine Kontrolleinheit CPU übermittelt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Kontrolleinheit CPU selbst die Multiplexer MUXa, MUXb synchron adressiert und die Multiplexer-Eingänge dann sukzessive am Ausgang des jeweiligen Multiplexers MUXa, MUXb abfragt. In der konkreten Ausführung kann es signaltechnisch auch vorteilhaft sein, die Signal-Formung SF bereits vor den Eingängen der Multiplexer MUXa, MUXb durchzuführen, was aber den Nachteil von höherem Bauteile-Einsatz mit sich bringt. In der praktischen Realisation kann es zudem vorteilhaft sein, mehrere Aktuatoren parallel zu verschalten, oder auch nur eine bestimmte reduzierte Anzahl von Aktuatoren A (z. B. jeden vierten in einer Zeile und/oder Spalte) für die passive Detektions-Funktion der Spulenmatrix heran zu ziehen.The address adr. of the affected multiplexer input in the case of a certain actuator core K that is currently being manually operated can therefore be identified and transmitted asynchronously to a control unit CPU, for example by triggering an interrupt. However, it is also possible for the control unit CPU itself to address the multiplexers MUXa, MUXb synchronously and then successively query the multiplexer inputs at the output of the respective multiplexer MUXa, MUXb. In the specific design, it can also be advantageous in terms of signal technology to carry out the signal shaping SF before the inputs of the multiplexers MUXa, MUXb, but this has the disadvantage of using more components. In practical implementation, it can also be advantageous to connect several actuators in parallel, or to use only a certain reduced number of actuators A (e.g. every fourth in a row and/or column) for the passive detection function of the coil matrix.
Die
In
Dagegen zeigt
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in der Abbildung nur der optische Empfänger 57 für ein einzelnes aktives Sende-Bildelement des Smartphone-Displays 56b dargestellt. Die optoelektronische Verbindung ist natürlich nicht zwingend: Es kann zur Herstellung des Signal-Austausches - gegebenenfalls auch von Spannungsversorgungen - durchaus der im Smartphone bereits vorhandene Verbindungsstecker für Datenaustausch / Stromversorgung herangezogen werden.For reasons of clarity, only the
Natürlich kann an Stelle eines vorhandenen Smartphones mit Kamera 56a, 56b, 51 auch eine spezielle Kamera - vorzugsweise mit extremer Weitwinkel-Optik ausgestattet - eingesetzt werden. Demzufolge ist das Telefon 56a und dessen Bildschirm 56b dann sinngemäß durch ein Gehäuse mit eingebauter Datenverarbeitungs-Einheit 53 und Energieversorgung zu ersetzen. Diese zeigt
Dargestellt ist die Kamera 51 neben der taktilen Anzeige 54 mit der in das Gehäuse der Anzeige integrierten Daten-Verarbeitungs-Vorrichtung 53. Die Kamera 51 kann dabei z.B. an der Kleidung etwa in Hemdkragen-Höhe befestigt werden, oder auch in einer brillen- ähnlichen Befestigungsweise am Kopf getragen werden. Die taktile Anzeige 54 kann für den bequemen Gebrauch z.B. mittels eines Gurtes am Oberschenkel getragen werden, oder diskret verborgen in einer Hosen- oder Jacken-Tasche mitgeführt werden.The
In der dargestellten Ausführung beherbergt das Gehäuse der taktilen Anzeige 54 dann auch sämtliche weiteren Vorrichtungen zur Datenverarbeitung 53. Die eingezeichnete Verbindungsleitung 59 zwischen Kamera 51 und dem z.B. in der Hosentasche getragenen Teilen 53 und 54, kann zwar prinzipiell als KabelVerbindung ausgeführt sein, zum bequemeren Gebrauch der Vorrichtung ist jedoch eine drahtlose Datenverbindung vorzuziehen. Je nach Aspekten bezüglich Daten- und Abhör- Sicherheit der gesamten Vorrichtung sowie der Spannungsversorgung der Kamera 51 wird man eine der beiden alternativen Lösungen verwirklichen.In the embodiment shown, the housing of the
Ferner ist die Erfindung bislang auch nicht auf die in den Patentansprüchen 1, 5, 14 und 20 definierten Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmalen definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal der Patentansprüche 1, 5, 14 und 20 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann.Furthermore, the invention is not limited to the combinations of features defined in patent claims 1, 5, 14 and 20, but can also be defined by any other combination of specific features of all the individual features disclosed overall. This means that in principle practically every individual feature of patent claims 1, 5, 14 and 20 can be omitted or replaced by at least one individual feature disclosed elsewhere in the application.
Bezugszeichenliste:List of reference symbols:
- 11
- Stab (linear frei beweglich, hartmagnetisch)Rod (linear freely movable, hard magnetic)
- 1a1a
- Hilfs-Pol (obere Ende des Stabes 1)Auxiliary pole (upper end of rod 1)
- 1b1b
- Haupt-Pol (tellerförmig)Main pole (plate-shaped)
- 22
- Hülse (hartmagnetisch)Sleeve (hard magnetic)
- 2a2a
- kragenförmige Erweiterung (der Hülse 2)collar-shaped extension (of sleeve 2)
- 33
- SpuleKitchen sink
- 44
-
Streufeld (des Haupt-Pols 1b)Stray field (of the
main pole 1b) - 4cd4cd
-
Streufeld (des Haupt-Pols 1b, schwächer)Stray field (of the
main pole 1b, weaker) - 1111
- StiftPen
- 1212
- Stift-PlattePin plate
- 13a13a
- Aktuator-EbeneActuator level
- 13b13b
- Aktuator-EbeneActuator level
- 13c13c
- Aktuator-EbeneActuator level
- 13d13d
- Aktuator-EbeneActuator level
- 14a14a
- verjüngter unterer Teil (taktiler Stift 11)tapered lower part (tactile pin 11)
- 14b14b
- verjüngter unterer Teil (taktiler Stift 11)tapered lower part (tactile pin 11)
- 14c14c
- verjüngter unterer Teil (taktiler Stift 11)tapered lower part (tactile pin 11)
- 14d14d
- verjüngter unterer Teil (taktiler Stift 11)tapered lower part (tactile pin 11)
- 1515
-
Durchgangsbohrung (für verjüngtes Betätigungs-Teil 14b)Through hole (for
tapered actuating part 14b) - 1616
- Schaltkreis-EbeneCircuit level
- 2323
- Aufbau (des Aktuators A)Structure (of actuator A)
- 24a24a
- VerschmutzungspartikelPollution particles
- 24b24b
- VerschmutzungspartikelPollution particles
- 24c24c
- VerschmutzungspartikelPollution particles
- 24e24e
- VerschmutzungspartikelPollution particles
- 2525
- SchmutzblendeDirt shield
- 2626
- Betätigungs-StabActuating rod
- 2727
- StirnflächeFrontal area
- 5151
- digitale Kameradigital camera
- 52a52a
- Bildsignale (der digitalen Kamera 51)Image signals (of the digital camera 51)
- 52b52b
- Bildsignale (der digitalen Kamera 51)Image signals (of the digital camera 51)
- 5353
- Daten-Verarbeitungs-Vorrichtung (CPU, Signalprozessor u.a.)Data processing device (CPU, signal processor, etc.)
- 5454
- taktile Vorrichtung (Ausgabeeinheit, Display)tactile device (output unit, display)
- 56a56a
- Smartphonesmartphones
- 56b56b
-
Bildschirm (des Smartphone 56a)Screen (of
smartphone 56a) - 5757
- opto-elektronisches Bauteil (optischer Empfänger)opto-electronic component (optical receiver)
- 58a58a
- BildschirmmusterScreen pattern
- 58b58b
- BildschirmmusterScreen pattern
- 5959
- Verbindungsleitung Connecting line
- AA
- Aktuator (Montageposition)Actuator (mounting position)
- adr.adr.
- Adressleitung (Multiplexer- Eingang)Address line (multiplexer input)
- CC
- Kondensatorcapacitor
- CPUCPU
- Kontroll-EinheitControl unit
- dd
- RastermaßGrid dimension
- hH
- Überstand (des Hilfspols 1a)Projection (of auxiliary pole 1a)
- H1H1
-
Dicke (des Hauptpols 1b)Thickness (of
main pole 1b) - HiHi
- Horizontal - Leitung (Strom für die Spulen-Bestromung)Horizontal - line (current for the coil power supply)
- HIHI
- hochohmiger Zustandhigh-resistance state
- KK
- Kern (der Spule 3)Core (of coil 3)
- MUXaMUX
- Multiplexermultiplexer
- MUXbMUXb
- Multiplexermultiplexer
- NN
- NordpolNorth Pole
- SS
- SüdpolSouth Pole
- SpSp
- Adress-Leitung (vertikale Spalte)Address line (vertical column)
- SFSF
- Block (Schaltung zur zeitlichen Signalformung und Signal-Erkennung)Block (circuit for temporal signal shaping and signal detection)
- TT
- TriacTriac
- TaTa
- Treiber-EndstufeDriver power amplifier
- TbTb
- Treiber-EndstufeDriver power amplifier
- ViVi
- Vertikal-Leitung (Strom für die Spulen-Bestromung)Vertical line (current for coil power supply)
- W1W1
- räumliche Ausdehnung (des Streufelds 4)spatial extent (of the scattered field 4)
- w2w2
- räumliche Ausdehnung (des Streufelds 4cd)spatial extent (of the scattered field 4cd)
- ZaZa
- Adress-Leitung (horizontale Zeile)Address line (horizontal line)
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